海水淡化廢水怎么辦?

2018年初，南非首都開普敦發(fā)布了自來水“零日”預(yù)警：預(yù)計到4月，當(dāng)水庫儲量低于13.5%時，全市所有居民區(qū)和絕大多數(shù)公共場所的自來水將停止供應(yīng)，人們只能排隊到公共取水點(diǎn)領(lǐng)取少量水。隨后，開普敦實行“6B級”用水限制措施，規(guī)定每人每天消耗水量不得超過50升。在政府機(jī)構(gòu)和所有市民共同努力下，開普敦最終避免了斷水，迎來了多雨的冬季。6月，冬雨降臨，河流與水庫的水位逐漸回升。然而，開普敦的限水措施仍在繼續(xù)，人們必須時刻注意節(jié)約用水，才可能避免下一次斷水危機(jī)。

開普敦雖然是一個極端例子，但它絕不是唯一一座嚴(yán)重缺水的城市。圣保羅、開羅、班加羅爾……水資源短缺的城市還有很多。即使是公認(rèn)氣候濕潤的倫敦，每年降雨量也不過600毫米。據(jù)估計，倫敦到2025年就可能出現(xiàn)供水不足的問題。隨著人口增長，水資源短缺只會愈發(fā)嚴(yán)重。聯(lián)合國2007年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全世界有16億人所需的飲用水得不到保障。預(yù)計到2025年，全世界將有18億人生活在缺水環(huán)境中。

2018年1月，開普敦多座水庫幾近干涸。

為了解決缺水問題，許多城市都把目光投向似乎取之不盡的水源——海洋，利用海水淡化技術(shù)獲取淡水。當(dāng)越來越多的海水淡化裝置投入使用，科學(xué)家開始把注意力投向海水淡化后留下的濃鹽水（鹵水）。他們指出，把海水淡化后剩余的鹵水直接排放到環(huán)境中的做法存在很大隱患。幸運(yùn)的是，更先進(jìn)的淡化方案已經(jīng)出現(xiàn)。

鹵水的隱患

隨著人口不斷增長，許多地方都沒有充足易得的淡水資源（如水量充沛的河流和水庫，或易開采的地下水）來滿足人們對水資源與日俱增的需求。有兩種方法能增加淡水來源：一種是大規(guī)?；厥蘸蛢艋瘡U水;另一種是利用海洋或咸水瀉湖的咸水。

海水淡化技術(shù)得到普遍使用。根據(jù)國際海水淡化協(xié)會的數(shù)據(jù)，2005年，世界各地的海水淡化裝置每天生產(chǎn)約400億升淡水;到了2015年，全球近1900家工廠每天能生產(chǎn)870億升淡水。絕大多數(shù)海水淡化工廠位于波斯灣附近的干燥國家，但其他地方的工廠也越來越多：澳大利亞阿德萊德市大約一半的供水來自一家巨大的海水淡化工廠;開普敦正在建造多座海水淡化裝置;美國加州正在建設(shè)8家新的海水淡化工廠……

海水淡化有望解決很多地區(qū)水資源短缺的問題，然而，經(jīng)過淡化過程后剩下的鹵水可能造成新問題。目前，海水淡化工廠一般用反滲透技術(shù)處理海水，即對海水施加壓力，使其中的水分子通過一種能濾除鹽離子的半透膜，“擠出”淡水并留下高鹽度鹵水。這些鹵水的鹽度大約是最初海水的2倍，大多數(shù)工廠會將其直接排到海洋中。這種做法令一些科學(xué)家感到擔(dān)憂。

海水淡化的基本流程

不同海域的海水鹽度各不相同，全球海水的平均鹽度為35‰，也就是說每1千克海水中大約含有35克鹽。而鹵水排放可能導(dǎo)致局部海水鹽度大幅增加。海洋中的生物都適應(yīng)于其所在海域的鹽度，一旦海水鹽度超過海洋生物所適應(yīng)的水平，就可能使它們的細(xì)胞無法正常代謝。

2012年，美國科學(xué)家在實驗室中模擬了高鹽度的海洋環(huán)境，探究鹽度增加對海洋生物的影響。結(jié)果顯示，很多海洋生物似乎都能適應(yīng)海水鹽度增加，但巨藻等關(guān)鍵物種則可能面臨生存危機(jī)。巨藻是一種大型褐藻，大量巨藻常常聚在一起，形成茂密的“海藻森林”，為多種海洋動物提供重要的棲息地。研究發(fā)現(xiàn)，最適宜巨藻生長的海水鹽度為20‰～35‰。由于太平洋的海水鹽度已經(jīng)達(dá)到35‰，鹽度增加可能對巨藻生長造成很大影響，進(jìn)而影響依賴于巨藻的生態(tài)系統(tǒng)。

一項研究顯示，在海水淡化工廠密集的阿拉伯灣和紅海沿岸，海水鹽度從1996年到2008年增加了一倍多，預(yù)計到2050年還會再翻一番。目前，科學(xué)家還不清楚鹵水對海洋環(huán)境到底會造成多大影響?，F(xiàn)有的研究大多集中于探索鹵水出水口附近物種短期內(nèi)的變化，尚未探明鹵水排放在大范圍海洋生態(tài)系統(tǒng)中可能造成的長期影響。此外，鹵水的成分、排放方式、擴(kuò)散速率以及海洋生物對鹽度的敏感性等因素，都會使鹵水排放對特定海域生態(tài)的影響產(chǎn)生很大差異。

鹵水排放（上）可能對“海藻森林”（下）的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

正滲透與反滲透

盡管如此，為避免海水鹽度增加的潛在風(fēng)險，很多海水淡化工廠都改進(jìn)了排水口結(jié)構(gòu)，使鹵水和海水充分混合，避免局部海水鹽度劇增。還有一些工廠把鹵水稀釋后再排放到海洋中。用于稀釋鹵水的淡水是經(jīng)過處理的污水或工業(yè)設(shè)施的冷卻水，這樣的水雖然達(dá)不到飲用標(biāo)準(zhǔn)，但可以排放到海洋中。但這種做法似乎不合邏輯。淡化海水和凈化污水都要消耗能量，人們卻把凈化后的污水和鹵水一起直接排放到海里，這是不是一種浪費(fèi)呢？

一種新的工程技術(shù)可以降低這一過程的能耗。為了淡化海水，反滲透裝置通過施加壓力來對抗水從低鹽度溶液流向高鹽度溶液的自然傾向，這一步需要消耗能量。相反，如果順應(yīng)這種自然趨勢，讓低鹽度溶液（處理后的污水）水通過半透膜自然滲透進(jìn)裝有鹵水的容器，使容器中的水壓增加，這種高壓的水可以用來驅(qū)動渦輪機(jī)，通過一個名為“壓力延遲滲透”（PRFO）的過程產(chǎn)生電能。如果將這種通過滲透作用供能的系統(tǒng)與反滲透海水淡化系統(tǒng)結(jié)合，就能在稀釋鹵水的同時產(chǎn)生一定能量，用于海水淡化或其他用途。

目前，這種混合系統(tǒng)的發(fā)展還不成熟。2009年，第一家采用這種系統(tǒng)的海水淡化廠在挪威開業(yè)。它的設(shè)施建造和運(yùn)營成本很高，但其產(chǎn)生的能量卻不如人意。5年后，該廠就關(guān)閉了?，F(xiàn)在，新加坡國立大學(xué)的科學(xué)家也在研究這種混合系統(tǒng)，并聲稱已經(jīng)將這項技術(shù)發(fā)展到了一個具有經(jīng)濟(jì)可行意義的程度。研究人員建立了一個與此前挪威海水淡化工廠類似的裝置，并改進(jìn)了其中所用的滲透膜。經(jīng)過500個小時的測試，這套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，能量消耗僅為常規(guī)反滲透淡化裝置耗能的四分之一。新加坡的一個研究孵化機(jī)構(gòu)采用了這一設(shè)計，并計劃建造一個試點(diǎn)工廠。新加坡自然資源匱乏，能源和水資源都很寶貴。因此，這種混合淡化系統(tǒng)意義重大。

反滲透淡化裝置和王滲透發(fā)電裝置聯(lián)合系統(tǒng)。

終極淡化技術(shù)

如果采用一系列方法提取鹵水中的水分，最終實現(xiàn)海水中水和鹽的完全分離，這就是“零液體排放（ZLD）”淡化技術(shù)。這種技術(shù)一舉三得：最大限度提取淡水、不產(chǎn)生鹵水、產(chǎn)生的鹽可作為化工原料。

鹵水中含有多種礦物質(zhì)，化學(xué)家們早已探索了從海水或鹵水中提煉各種礦物質(zhì)的方法。但是很少有人想過開采鹵水中的“礦藏”，主要是因為鹵水成分復(fù)雜，難以分離，很多成分濃度又很低，提取和純化的成本過高。然而在某些情況下，將海水淡化與從鹵水中提煉化學(xué)品相結(jié)合，能夠產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)效益。

大多數(shù)海水淡化工廠都建在海邊，但美國是個例外。美國很多地區(qū)的地下水都是礦物質(zhì)含量過高的咸水（俗稱“苦水”），不能飲用。因此美國95%的海水（咸水）淡化工廠都建在內(nèi)陸地區(qū)。這些工廠的鹵水排放問題更讓人頭疼。大多數(shù)工廠把鹵水直接排入河中;一些工廠把鹵水引入蒸發(fā)池;在得克薩斯州等地質(zhì)條件適宜的地方，鹵水被注入深井中。但以上所有方法能處理的鹵水量都是有限的。因此，亞利桑那州試圖修建一條經(jīng)墨西哥直通大海的水渠，用于排放鹵水。但這項計劃至今沒有得到墨西哥政府許可。

鹵水“冶煉”裝置能完全分離鹵水中的水和鹽，實現(xiàn)零液體排放。

美國最大的內(nèi)陸咸水淡化工廠位于得克薩斯州的埃爾帕索，它每天為270萬人提供超過1億升淡水，并將廢棄的鹵水注入距工廠25千米的一處深井。但這樣做的成本很高，而且這口深井可能在不久的將來被填滿。這樣的條件使ZLD技術(shù)有了用武之地。

2018年4月，該工廠與當(dāng)?shù)匾患宜幚砥髽I(yè)合作，借鑒了石油煉制的一些技術(shù)，建造出一套從水中提取目標(biāo)成分的裝置。該公司首席執(zhí)行官稱其為“水冶煉廠”。就像原油可以被分離成多種有價值的產(chǎn)品一樣，該設(shè)施將咸水分成五股，最終提取出其中幾乎全部淡水，并得到一些有價值的化學(xué)品，如氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉、石膏和氫氧化鎂等。這套設(shè)施幾乎沒有使用任何新技術(shù)，只是現(xiàn)有技術(shù)的新組合。該設(shè)施很快將進(jìn)入全面運(yùn)轉(zhuǎn)，每天能夠從淡化工廠的鹵水中回收750萬升飲用水。這種做法是否能產(chǎn)生足夠的經(jīng)濟(jì)價值還是個未知數(shù)。

一些科學(xué)家也在思考如何用類似技術(shù)對一些更極端環(huán)境中的水進(jìn)行“冶煉”，他們把目光投向的了石油井廢水。石油開采過程中抽出的地下水量大約是石油的5倍，目前常用的處理方法是將這些水泵回地下。

但這些廢水中可能蘊(yùn)含“寶藏”。例如，得克薩斯州的石油井廢水中含有約1‰的鋰，而鋰是制造電池的重要原料。目前已有礦產(chǎn)公司利用這種廢水來開采鋰鹽。最近，得克薩斯大學(xué)與澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家合作研發(fā)了一種新型薄膜，它可以選擇性地從水中分離鋰元素，能有效降低鋰鹽開采的能耗，減少化學(xué)污染。這種薄膜也有望用于ZLD淡化技術(shù)。如果能用類似的薄膜分離鹵水中多種不同元素，那么鹵水的“冶煉”成本和能耗就能大幅降低。但要實現(xiàn)這一點(diǎn)，對研究人員將是一個巨大挑戰(zhàn)。

隨著全球水資源短缺進(jìn)一步加重，海水淡化設(shè)施正變得越來越普遍。要解決隨之而來的鹵水處理等問題，必須采用多樣化的技術(shù)，并針對地域特點(diǎn)選擇當(dāng)?shù)乜尚械姆桨?。ZLD技術(shù)不會在任何地方都能實現(xiàn)。但有科學(xué)家說，一些更尖端技術(shù)之所以沒有得到廣泛應(yīng)用，并不是因為它們不起作用，而是因為我們的處境還不夠絕望。然而，開普敦的例子告訴我們，那樣的情形并不遙遠(yuǎn)。

反滲透法淡化海水

海水淡化也稱海水脫鹽，是指將海水中的多余鹽分和礦物質(zhì)去除，得到適宜飲用和灌溉的淡水的工序。遠(yuǎn)洋船只或潛艇一般都配有海水淡化裝置。很多極度干旱的地區(qū)都將淡化海水作為重要的淡水來源。海水淡化的方法有很多，包括蒸餾（多級閃蒸、真空蒸餾、蒸汽壓縮等）、凍融、反滲透等。目前，反滲透法是海水淡化的主流方法。

什么是反滲透？這要先從滲透作用說起。1748年，法國科學(xué)家諾萊特把裝入酒精的動物膀胱浸泡在水中，發(fā)現(xiàn)水可以進(jìn)入膀胱中，但酒精卻不能透過膀胱進(jìn)入水里。膀胱有選擇透過性，能使水分子自由透過，而酒精和鹽等溶質(zhì)則不能透過。具有這種特性的膜被稱為半透膜。水分子經(jīng)半透膜擴(kuò)散的現(xiàn)象被稱為“滲透”。

如果用半透膜將高濃度鹽溶液和低濃度鹽溶液中間隔開，低濃度溶液中的水分子會自動向高濃度溶液中移動，使薄膜兩側(cè)的液體濃度趨于平衡，這就是滲透作用。而反滲透是與之相反的過程：在高濃度鹽溶液一側(cè)施加足夠壓力，高濃度溶液中的水就能滲入低濃度溶液。通過這種反滲透機(jī)制，就能從海水中“擠出”淡水。

近年來，隨著反滲透膜工藝的迅速發(fā)展，反滲透技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣。除了海水淡化外，反滲透技術(shù)也被用于污水處理、醫(yī)療用水凈化、食品加工（如濃縮果汁）等方面。